具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种激光雷达扫描装置，包括第一激光雷达系统100、第二激光雷达系统200以及处理模块(未图示)。

如图1和图2所示，可选地，第一激光雷达系统100包括第一激光发射器11、第一振镜12、第一激光接收模块。本发明实施例中，第一激光接收模块包括第一接收透镜13以及第一光电接收二极管14，第一光电接收二极管14与处理模块电性连接，第一光电接收二极管14设置于第一接收透镜13后方，第一激光通过第一接收透镜13由第一光电接收二极管14接收。可选地，第一振镜12包括第一横轴X1以及第一纵轴Y1，第一横轴X1以及第一纵轴Y1具有对应的控制镜，处理模块对第一横轴X1以及第一纵轴Y1进行转动控制从而能够实现第一振镜12的转动。

如图1和图2所示，可选地，第二激光雷达系统200包括第二激光发射器21、第二振镜22、第二激光接收模块。本发明实施例中，第二激光接收模块包括第二接收透镜23以及第二光电接收二极管24，第二光电接收二极管24与处理模块电性连接，第二光电接收二极管24设置于第二接收透镜23后方，第二激光通过第二接收透镜23由第二光电接收二极管24接收。可选地，第二振镜22包括第二横轴X2以及第二纵轴Y2，第二横轴X2以及第二纵轴Y2具有对应的控制镜，处理模块对第二横轴X2以及第二纵轴Y2进行转动控制从而能够实现第二振镜22的转动。需要说明的是，第一振镜12以及第二振镜22包括但不限于检流计式振镜或者MEMS型振镜。

如图1和图2所示，需要说明的是，第一振镜12以及第二振镜22用于控制激光扫描的路径；第一激光发射器11以及第二激光发射器21包含激光发射器驱动功能，均配置有准直镜头，准直镜头可使得光斑小于镜片。其中，第一激光接收模块、第二激光接收模块可以包含回波放大电路；第一接收透镜13以及第二接收透镜23为大面积光学专用凸透镜，用于对回波信号进行聚焦，即对从目标对象反射的激光进行聚焦，使得激光打到第一光电接收二极管14或者第二光电接收二极管24上被吸收。

可选地，本发明实施例中，处理模块包括控制单元以及处理单元。

具体地，控制单元用于控制第一激光发射器11发射第一激光并控制第一振镜12转动以使第一激光沿着目标对象的横向进行扫描，以及控制第二激光发射器21发射第二激光并控制第二振镜22转动以使第二激光沿着目标对象的纵向进行扫描。需要说明的是，在扫描过程中，第一激光在目标对象上发射有若干个第一激光点，第二激光在目标对象上发射有若干个第二激光点。

具体地，处理单元用于确定发射第一激光至第一激光接收模块接收第一激光的第一飞行时间以及发射第二激光至第二激光接收模块接收第二激光的第二飞行时间，根据第一飞行时间以及第二飞行时间确定第一激光点的第一位置以及第二激光点的第二位置，根据第一位置和第二位置生成目标对象的深度图像。

需要说明的是，本发明实施例中的第一激光激光雷达系统、第二激光激光雷达系统不限于左右分布结构，可以为上下分布结构等。需要说明的是，本发明实施例中的处理模块包括但不限于FPGA主控制器，通过产生的脉冲信号控制第一激光发射器11以及第二激光发射器21发射激光；产生三角波信号驱动第一振镜12以及第二振镜22转动；通过处理单元中的时间-数字转换器单元(TDC)确定第一飞行时间以及第二飞行时间，然后确定第一位置以及第二位置。需要说明的是，根据第一位置和第二位置生成目标对象的深度图像可以为将包含第一位置以及第二位置的点云数据传输至上位机中生成目标对象的深度图像，即此时处理模块包括FPGA主控制器以及上位机的一部分。可选地，时间-数字转换器单元为双通道时间-数字转换器，其可以为FPGA主控制器中搭建或者也可以为TDC-GP2X计时芯片，不作具体限定，能用于实现第一激光雷达系统100以及第二激光雷达系统200的高精度飞行时间技术TOF(Time of Flight)计时，并将计时的结果存储在8bit的FPGA主控制器的数字寄存器中，基于FPGA实现的TDC有基本的粗细时间计数器、延时校准、温度补偿等功能。

如图3所示，本发明实施例提供一种激光雷达扫描方法，可应用于上述激光雷达扫描装置，包括步骤S100-S400：

S100、控制第一激光发射器发射第一激光并控制第一振镜转动以使第一激光沿着目标对象的横向进行扫描，以及控制第二激光发射器发射第二激光并控制第二振镜转动以使第二激光沿着目标对象的纵向进行扫描。

本发明实施例中，扫描过程中，第一激光在目标对象上发射有若干个第一激光点，第二激光在目标对象上发射有若干个第二激光点。

需要说明的是，激光发射的频率和振镜摆动的频率影响着每幅图像所含的点云数据，振镜摆动的幅度影响着最大扫描角度，因此可以根据实际情况调整FPGA内部程序，对激光发射频率以及振镜转动(摆动)频率和幅度进行调整，以获取满足实际需求的点云数据。

本发明实施例中，处理模块通过第一脉冲信号控制第一激光发射器发射第一激光并通过第一三角波信号控制第一振镜转动以使第一激光沿着目标对象的横向进行扫描，通过第二脉冲信号控制第二激光发射器发射第二激光并通过第二三角波信号控制第二振镜转动以使第二激光沿着目标对象的纵向进行扫描。可选地，第一脉冲信号以及第二脉冲信号为24khz、50ns的窄触发脉冲信号。需要说明的是，第一三角波信号包括两路三角波信号，分别驱动第一横轴X1以及第一纵轴Y1，第二三角波信号亦包括两路三角波信号，分别驱动第二横轴X2以及第二纵轴Y2。其中，第一三角波信号的频率用于控制第一振镜的转动频率，具体为第一横轴X1以及第一纵轴Y1的转动频率，第二三角波信号的频率用于控制第二振镜的转动频率，具体为第二横轴X2以及第二纵轴Y2的转动频率；第一三角波信号的幅度用于控制第一振镜的转动幅度，具体为第一横轴X1以及第一纵轴Y1的转动幅度，第二三角波信号的幅度用于控制第二振镜的转动幅度，具体为第二横轴X2以及第二纵轴Y2的转动幅度。需要说明的是，对于需要较高的成像速度时，可实时调整振镜的转动频率，例如调整程序使得驱动三角波信号频率变大，而对于宽度较大的目标物体，可实时调整振镜横轴的转动幅度，例如调整程序使得驱动三角波信号有更大的幅度。

本发明实施例中，使用三角波的驱动信号，而三角波的角度是线性变化可以达到前后扫描角度一致，这样在后续进行第一次扫描和第二次扫描时，第二次扫描的扫描角度可以与第一次扫描角度一致，使得扫描路径不会重叠，而是交错，增加获取的激光点的数量以及密度。另外，若使用方波，则会导致振镜摆动变化不均匀，若使用锯齿波，则导致前后扫描角度不一致。

可选地，本发明实施例中，控制第一横轴以第一频率转动并控制第一纵轴以第二频率转动，以及控制第二横轴以第二频率转动并控制第二纵轴以第一频率转动；第一频率(远)大于第二频率。可以理解的是，第一频率以及第二频率为三角波信号的频率。例如，在帧率为10fps、每幅画面为单次扫描的情况下，第一横轴转动的频率为340Hz，第一纵轴转动的频率为10Hz，那么相应地，第二横轴转动的频率为10Hz，第二纵轴转动的频率为340Hz。

本发明实施例中，步骤S100中控制第一振镜转动以使第一激光沿着目标对象的横向进行扫描，以及控制第二振镜转动以使第二激光沿着目标对象的纵向进行扫描，包括步骤S110-S120:

S110、控制第一振镜转动以使第一激光沿着目标对象在横向的第一正向上沿着第一路径扫描，以及控制第二振镜转动以使第二激光沿着目标对象在纵向的第二正向上沿着第二路径扫描，完成第一次扫描。

S120、控制第一振镜转动以使第一激光沿着目标对象在横向的第一反向上以重复方式或者非重复方式沿着第三路径扫描，以及控制第二振镜转动以使第二激光沿着目标对象在纵向的第二反向上以重复方式或者非重复方式沿着第四路径扫描，完成第二次扫描；第一路径与第三路径错开且呈相同角度，第二路径与第四路径错开且呈相同角度，第一激光点以及第二激光点均在第一次扫描以及第二次扫描的过程中形成。

需要说明的是，重复方式的扫描原理如图4(a)所示，重复方式指的是激光雷达系统的扫描路径重复，达到一帧后即为一幅图像，而非重复方式的扫描原理如图4(b)所示，指的是激光雷达系统扫描达到两帧或以上且扫描路径不重复为一幅图像，箭头表示扫描路径的方向，X表示横向、Y表示纵向。本发明实施例中的以非重复方式为例，即第二次扫描的路径与第一次扫描的路径不重复，即第一路径与第三路径，第二路径与第四路径错开。可以理解的是，当采用重复方式扫描时，第三路径与第一路径至少一部分重叠(或者完全相同)，第四路径与第二路径至少一部分重叠(或者完全相同)。

具体地，如图4(c)所示，第一次扫描过程中，第一路径在横向的第一正向上(在左右方向扫描且在纵向上由下至上)延伸，以路径L11为开始并以路径L12为结束，第二路径在纵向的第二正向上(在纵向方向扫描且在横向上由左至右)延伸，以路径L21为开始并以路径L22为结束。如图4(d)所示，在第一次扫描的基础上，进行第二次扫描，而第二次扫描的过程中，第三路径在横向的第一反向上(第一反向相对第一正向而言，具体在左右方向扫描且在纵向上由上至下)延伸，以路径L31为开始并以路径L32为结束，第四路径在纵向的第二反向上(第二反向相对第二正向而言，在纵向方向扫描且在横向上由右至左)延伸，以路径L41为开始并以路径L42为结束，从而实现对目标对象M的扫描，保证对目标对象M的扫描的完整性，提高扫描过程的覆盖度。需要说明的是，第一激光点存在于第一路径以及第三路径中，第二激光点存在于第二路径以及第四路径中，并且可以看到第一路径与第三路径错开、平行且呈相同角度，即第一路径包括的各子路径之间的角度与第三路径的各子路径之间的角度相同，第二路径与第四路径错开、平行且呈相同角度，即第二路径包括的各子路径之间的角度与第四路径的各子路径之间的角度相同。

如图5所示，本发明实施例中，在第一次扫描以及第二次扫描的过程中，第一(组)激光雷达系统开始工作，第二(组)激光雷达系统处于静止状态，当第一激光雷达系统打出单光子(第一激光)并被第一激光接收模块接收到时，第一(组)激光雷达系统转入到静止状态，而第二(组)激光雷达系统转入到工作状态，同理第二(组)激光雷达系统完成单光子的收发(第二激光))时转入到静止状态，第一(组)激光雷达系统转入到开始工作状态，如此循环，可完成第一次扫描以及第二次扫描的过程。

S200、确定发射第一激光至第一激光接收模块接收第一激光的第一飞行时间以及发射第二激光至第二激光接收模块接收第二激光的第二飞行时间。

本发明实施例中，第一飞行时间指的是第一激光发射器发射第一激光到达目标对象反射至第一激光接收模块接收(具体为第一光电接收二极管接收)经过的时间；第二飞行时间指的是第二激光发射器发射第二激光到达目标对象反射至第二激光接收模块接收(具体为第二光电接收二极管接收)经过的时间。具体地，第一飞行时间以及第二飞行时间通过时间-数字转换器单元(TDC)计算得到。

S300、根据第一飞行时间以及第二飞行时间，确定第一激光点的第一位置以及第二激光点的第二位置。

具体地，步骤S300包括步骤S310-S330：

S310、获取每一第一激光点以及每一第二激光点的方位角以及仰角。

S320、根据每一第一飞行时间与光速计算每一第一激光点的第一距离信息，根据第一距离信息、第一激光点的方位角以及仰角，计算得到每一第一激光点的三维坐标作为第一位置。

S330、根据每一第二飞行时间与光速计算每一第二激光点的第二距离信息，根据第二距离信息、第二激光点的方位角以及仰角，计算得到每一第二激光点的三维坐标作为第二位置。

具体地，如图6所示，假设目标对象上具有激光点P，P与坐标原点的方位角为α以及仰角为β，X₁、Y₁、Z₁分别代表三个坐标轴，计算公式为：

X₂＝d sinαcosβ

Y₂＝d sinαsinβ

Z₂＝d cosα

其中，d为距离信息，v为光速，t为飞行时间，X₂、Y₂、Z₂分别为三维坐标中的横坐标、纵坐标以及竖坐标。可以理解的是，当激光点P为第一激光点，飞行时间为第一飞行时间，坐标原点为第一激光发射器的位置，利用上述公式计算得到的距离信息为第一距离信息以及第一激光点的第一位置；当激光点P为第二激光点，飞行时间为第二飞行时间，坐标原点为第二激光发射器的位置，利用上述公式计算得到的距离信息为第二距离信息以及第二激光点的第二位置。

需要说明的是，上述计算过程可以由FPGA完成，其中方位角α以及仰角β可以根据横轴以及竖轴的转动频率确定，在FPGA内部采用CORDIC算法实现三角函数的运算，或由MATLAB生成每个激光点的方位角α以及仰角β角度对应的正弦值和余弦值分别存储在两个mif文件中，将该文件存入FPGA的ROM中，然后根据横轴以及竖轴的转动频率设定特定步长从中提取出有效值。

S400、根据第一位置和第二位置生成目标对象的深度图像。

本发明实施例中，每一第一位置以及第二位置表示一个深度点，构成点云的一部分，将第一位置以及第二位置上存至上位机中，上位机将第一位置以及第二位置进行存储，并将第一位置以及第二位置表示的所有深度点进行合成，得到目标对象的高分辨率的深度图像。

本发明实施例的激光雷达扫描方法以及激光雷达扫描装置，采用第一振镜以及第二振镜供共两组振镜的扫描方式，可以从不同方向和角度对扫描视场的目标对象进行扫描，扩大了扫描视场，通过FPGA实现双通道高精度时间数字转换器，实现基于振镜扫描的激光雷达系统高精度高密集度点云信息提取，从而可以提取出细节更加丰富的目标物体表面的深度图像，提高了扫描过程中对目标对象的覆盖度，提高了激光雷达系统的工作效率，丰富了最终生成的深度图像的细节，提高了分辨率，而采用双通道高精度时间数字转换器能够实现高精度的测距计时

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。